在聚醋酸乙烯酯乳液木材膠黏劑中加入農(nóng)業(yè)有機廢渣與甲殼類填料的應(yīng)用作者I. U. Ogban，O. Ogbobe摘要在PVAC乳液木材膠黏劑中，研究纖維素和甲殼動物填料對其的影響。利用差值掃描量和動態(tài)熱力學(xué)分析對PVAC乳液的彈塑性進行了研究。結(jié)果表明，補充進來的填充材料對該聚合物的玻璃化溫度并沒有帶來顯著改變，而拉伸模量，膠黏劑硬度，和剛度都有顯著改變。加入填充料后，乳液的粘度及其木質(zhì)表面的性能都有了很大的改善。纖維填料有著很高的油脂吸附能力，因此，與甲殼類填料相比，能在更大程度上增加乳液的黏度，而甲殼類填料雖然能夠更快的固化，但膠片機械性能方面卻很差。對于木材膠黏劑來說，填充物的酸度會影響膠的凝膠時間。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢渣；乳液；木材膠黏劑概述木質(zhì)廢渣作為填料在增加膠黏劑的附著力性能方面可以發(fā)揮重要作用，而這對更好發(fā)展和增長的森林產(chǎn)品行業(yè)，更加有效地利用我們的木材資源，有著重要影響。PVAC乳液膠黏劑廣泛的應(yīng)用于木材粘接、家具加工和其他各個行業(yè)中。膠黏劑越來越多的應(yīng)用，并滿足人們更多的特定粘結(jié)需求。同時，利用加入添加劑的辦法，來改善膠黏劑的粘性。下面列出的是已經(jīng)應(yīng)用多年的不同的添加劑：增塑劑、助劑、力學(xué)改進劑、填料。填料在聚合物的生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色，這一趨勢可能會使得石油成本與聚合物原料價格不斷上漲。為此研究人員研究了許多PVAC木材膠黏劑填充材料，尤其是考慮到表面區(qū)域和填充粒子的尺寸大小。被添加到混合乳液中的填料可以是粉末形式，選擇好的填充材料是一個功能型粘結(jié)劑所必需的。填料，被視為一種高性能的添加劑，不僅可以降低稀釋劑成本，而且還擁有諸如加固、阻燃、增稠、抗阻塞等功能。由于填充材料對粘接技術(shù)的改善，它已被研究人員發(fā)現(xiàn)填料的高性能而重視。他們選擇研究從纖維填充材料（比如椰子殼）和甲殼類動物的殼（如玉黍螺），來探討填料與不同的化學(xué)成分對乳液物理性質(zhì)和膠黏劑性能的影響，以滿足未來人們對高性能填料添加劑的需求，因此也是一種受歡迎的投資。PVAC乳液木材膠黏劑的填充材料可以是有機的，也可以無機物，如木漿、面粉、滑石、碳酸鈣巖等。本文會進一步探究填料使用時的許多特殊用途。如流體學(xué)性能的改性、用以提高分散粘度的高吸油性填料等。到目前為止，似乎很少在農(nóng)業(yè)有機廢渣填料和甲殼綱動物殼這一領(lǐng)域有特別成熟的技術(shù)，因此這些手頭研究顯得尤為重要。希望這方面的研究可以擴大表面涂層業(yè)和膠黏劑行業(yè)的高性能填料清單，同時還將有利于木材和家具行業(yè)的發(fā)展。實驗部分實驗材料本實驗中，所用聚醋酸乙烯乳液以50%固體含量的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)配方為基礎(chǔ)，表面活性劑的用量待實驗而定，玻璃化溫度為36。填料用100±5毫米粉粒直徑的纖維類植物（椰子）和甲殼類動物（玉黍螺）的貝殼粉末混合。也可用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高嶺土填充。樣品制備取纖維素和甲殼類生物的外殼沖洗曬干，待晾干后將其用電動研磨機打磨成粉末狀，將粉末通過孔徑100±5毫米的篩孔篩選，然后在90下烘干，以備用作填料。以纖維植物外殼作填料的膠黏劑配方見表1所示，以甲殼類動物作填料的配方見表2。測試方法膠黏劑樣本的玻璃化溫度使用差示掃描量熱儀（DSC）檢測（型號：DSC SP，產(chǎn)地印度）。玻璃化溫度隨著溫度區(qū)間的中點熱容的變化而獲得。粘度使用Brookfield電子同步粘度計來檢測，并在使用前用標(biāo)準(zhǔn)粘度油校準(zhǔn)。剪切強度通過設(shè)計和記錄的重復(fù)讀數(shù)讀取。耐水性測試1、沸水測試將兩塊木板使用乳液樣品粘合，放入沸水中煮沸，記錄木板脫落的時間。2、熱水測試將粘合后的木板浸泡在60水中，4小時后再將其放入冷水。這樣以模擬寒冷潮濕的環(huán)境檢測剪切強度。3、冷水測試將粘合后的木板浸在室溫20的水中20小時，以此確定潮濕條件下的抗剪強度。粘合木板的脫落時間取決于膠樣的剪切強度。pH值這一項可用pH試紙測量。膠片硬度可以用范圍在1B-6B的鉛筆確定。結(jié)果與討論PVAC填充材料的作用已被確切的證明，尤其是在涉及填料表面區(qū)域粒子尺寸大小方面已經(jīng)較為成熟。實驗記錄表明，粗糙的和塊狀的聚合物填料粒子會降低乳液的粘度，這是由于缺乏聚合物相互作用的基質(zhì)，從而降低了膠片的彈性和應(yīng)力。然而，在粉粒尺寸沒有太大變化的情況下，幾何規(guī)則對填充材料的影響可以忽略不計。在本論文中，將集中研究因化學(xué)成分不同而引起的粘合性變化，由于不同的化學(xué)成分，并試圖探討木材粘合測試中填料對其的影響和關(guān)系。研究中使用的填料構(gòu)成100%全部采用農(nóng)業(yè)廢料（纖維素和甲殼類動物貝殼）和商業(yè)填料（高嶺土）標(biāo)準(zhǔn)。圖1 不同類型的纖維填料對膠膜拉伸模量在不同的溫度下的影響一種膠黏劑彈塑性的好壞在很大程度上決定了膜的機械性能和實際用途。玻璃化溫度是一種反映聚合物鏈彼此相對運動能力的指標(biāo)，因此玻璃化溫度高的材料擁有更高的剛度和強度，而那些玻璃化溫度較低的材料則表現(xiàn)的柔軟而又堅韌。圖2 不同類型的甲殼填料對膠膜拉伸模量在不同的溫度下的影響然而，填料的加入，使得這樣的粘合劑剛度得以增加。在研究中，這一變化得到確定。不同的填料對聚合物拉伸模量的影響不同（圖1和2）。大多數(shù)纖維填料的加入會將聚合物的模量降低到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下（數(shù)據(jù)1和2）。然而，可以看出，填料的加入并沒有使膠黏劑樣本的玻璃化溫度得到明顯地改變（表3）。這可能是因為填料僅僅是融入了乳液而并沒有與聚合鍵發(fā)生任何交聯(lián)。表1 使用纖維素的膠黏劑填料配方樣本/A椰子粉/%商業(yè)填料/%A10100A22080A34060A45050A56040A68020A71000，這時的醋酸乙烯水解率已經(jīng)最低了?；A(chǔ)乳液中填料的加入，尤其是纖維類填料的加入，使得乳液pH值降低。然而，甲殼類生物填料的加入，使得膠黏劑的pH值升高，聚結(jié)速度加快，但是膠片的機械性能會有所減弱。表3中的玻璃化溫度表明，填料粒子并沒有使聚合物片段的相對運動變?nèi)酰@是由于它們的加入僅僅只是簡單地物理學(xué)結(jié)合，并沒有任何聚合物鏈之間的交聯(lián)。填料并不能對粘合劑的耐熱性有所影響，而且也不能像增塑劑那樣使膠黏劑變得柔和。這個結(jié)果只能說是歸因于填充的不溶性。另一方面，液體增塑劑可以與聚合物的高分子鏈混溶，從而使鏈能更好的移動。由于分子間排斥力和分子空間構(gòu)型阻礙，這些不溶性填料微粒作為離散粒子或沒有與聚合物成鍵的鏈而嵌在聚合物中。由于表中的玻璃化溫度很少或沒有變化，這就證明填料的加入顯著降低了分子聚合物鏈的相對運動（表3）。表2 使用動物甲殼的膠黏劑填料配方樣本/B甲殼粉/%商業(yè)填料/%B10100B22080B34060B45050B56040B68020B71000纖維素填料的加入能夠使膠黏劑pH值降低，固化時間加長。這個最好同時在冷，熱濕條件下做性能測試。相反，相比于那些纖維素填料，甲殼類動物殼填料的加入固然會使固化時間快速，但是這些膠片測試的機械性能會減弱，pH值相對為加料之前也會增大。表3 加入纖維素和玉黍螺粉的PVAC乳液性能填料類型玻璃化溫度/25時粘度值pH硬度高嶺土（A1）3889004H20%纖維素3689005.54H40%纖維素（A3）35950064H50%纖維素（A4）34970064H60%纖維素（A4）35980055H80%纖維素38980056H100%纖維素3810,00066H無填料363900HB20%甲殼B135870075H40%甲殼B235600075H50%甲殼B334600085H60%甲殼B433600084H80%甲殼B534550084H100%甲殼B635540094H在表4和表5中，我們觀察到，膠片的剪切強度受pH值、粘度、顆粒尺寸等因素的影響。纖維素填料的粘度增加最為明顯，這是由于填充物本身就有很高的吸油能力。而這種自然地甲殼填料，具有較低的吸油能力，因此粘合劑的粘度增強的很少。粘度的變化對膠黏劑的性能具有很大的影響。我們可以明顯的觀察到，涂在木地板上的粘合劑很少能夠穿透并滲透在木板的深處。表4 剪切強度隨固化時間的變化固化時間/h2572432168填料類型（剪切強度/Kgcm-2）高嶺土A15211212013914817320%纖維素A25311412014114817940%纖維素A35211412014214917350%纖維素A45311512114314117360%纖維素A55411512114314917380%纖維素A654115122144151172100%纖維素A754115122145151152無填料10512112513014615320%甲殼B15211512214214117340%甲殼B25211412214215017350%甲殼B35311312014115117360%甲殼B45411212014115217380%甲殼B557112121140151171100%甲殼B651111121140141171相反，如果粘合劑在應(yīng)用時太黏的話，大部分的膠黏劑會殘余在物體表面。結(jié)果是不容易剝離，因此在有效接觸的粘合面積上，可以適當(dāng)減少木頭間粘合劑的使用量，涂太厚的膠層反而導(dǎo)致膠黏劑的粘結(jié)強度減弱，因此強度不高。在大多數(shù)情況下，添加填料會減少PVAC膠黏劑的耐水性，這可以歸因于以下事實，即填料物的加入使聚合物鏈松散，從而為水滲透進高分子膜內(nèi)留下更大的空間。因為他們的不同類，水分子進入膠片的吸引力可能被放大。不論冷水、熱水或沸水測試，并沒有表現(xiàn)出水的阻力有任何改善（見表5）。表5也表明，純的和更高比例的纖維素能夠在干燥、冷或熱條件下產(chǎn)生更大的抗剪切強度。例如，60%，80%，和100%的纖維素填料膠黏劑在每平方米面積上會產(chǎn)生更大的剪切強度。在這里，抗剪強度的大小與在填充材料中纖維素的純度有著直接的聯(lián)系，而甲殼類填料膠黏劑的抗剪強度卻正好和純度的高低成反比。表5 粘合劑在干燥、濕冷、濕熱環(huán)境下木板測試數(shù)據(jù)承重/Kgcm-2填料類型干燥濕冷濕熱高嶺土A1173895320%纖維素A2172825240%纖維素A3172825250%纖維素A4175835360%纖維素A5178835380%纖維素A61798853100%纖維素A71838954無填料153813820%甲殼B1172835340%甲殼B2171835350%甲殼B3171825260%甲殼B4170805280%甲殼B51668157100%甲殼B61688150結(jié)果顯示，填料的設(shè)定時間的增加可以增加乳液的固體含量，這就使得聚合物粒子的成膜凝結(jié)產(chǎn)生了一定程度的加速，同樣后來的剪切強度也隨之增加，已固化的膠片由于粘度的增強，其機械剪切強度都表現(xiàn)得很好。所有的這些填料中，按硬度增加的順序依次為：純纖維素，混合纖維素，混合動物甲殼，純的動物甲殼。這表明，通過HB-6H標(biāo)準(zhǔn)（表3）和性能評估，純纖維素填料和混合纖維素填料在提高硬度方面效果突出。結(jié)論在這項研究中，所有填料的加入都能夠增加PVAC木材膠黏劑的粘度（表3）。填料的吸油能力越強，對膠黏劑粘度的增強效果就會越顯著。粘度受膠黏劑滲透能力、接觸面積、和結(jié)合面強度的影響。酸性填料能夠改善耐水性，但粘合劑在木質(zhì)表面上固化就得需要更長時間。填料的加入不能使PVAC乳液的彈塑性發(fā)生明顯的改變。此外，盡管會對硬度和抗剪切強度產(chǎn)生影響（圖1和2），但是，純纖維素填料和一定比例甲殼類生物填料的加入仍然要比商業(yè)上高嶺土填料效果更好。參考文獻1Brimson，HF（1990）Engineering Materials Handbook 3，ASM International，Material Park，19902Gillespie，BHForest Product Journal 25，2632（1975）3Brydson，JA（1989）Plastic Materials，Butterworth Scientific Publication，London4Mohsen，RM（1992）Pigment and Resin 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